[論文レビュー] Measuring the mass function of isolated stellar remnants with gravitational microlensing. II. Analysis of the OGLE-III data

P. Mróz, A. Udalski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、OGLE-IIIデータからの重力レンズ効果を用いて、白色矮星、中性子星、ブラックホールといった孤立した恒星残骸の質量関数を、OGLEとGaia EDR3の位置運動データを組み合わせることで測定している。1–100 M⊙の範囲で連続的な質量関数が得られ、べき乗則の勾配は0.83⁺⁰.¹⁶₋₀.¹⁸であり、中性子星とブラックホールの間のギャップが否定される可能性のある初期的証拠を示している。

ABSTRACT

Our knowledge of the birth mass function of neutron stars and black holes is based on observations of binary systems but the binary evolution likely affects the final mass of the compact object. Gravitational microlensing allows us to detect and measure masses of isolated stellar remnants, which are nearly impossible to obtain with other techniques. Here, we analyze a sample of 4360 gravitational microlensing events detected during the third phase of the OGLE survey. We select a subsample of 87 long-timescale low-blending events. We estimate the masses of lensing objects by combining photometric data from OGLE and proper-motion information from OGLE and Gaia EDR3. We find 35 high-probability dark lenses - white dwarfs, neutron stars, and black holes - which we use to constrain the mass function of isolated stellar remnants. In the range 1-100 M_Sun, occupied by neutron stars and black holes, the remnant mass function is continuous and can be approximated as a power-law with a slope of $0.83^{+0.16}_{-0.18}$ with a tentative evidence against a broad gap between neutron stars and black holes. This slope is slightly flatter than the slope of the mass function of black holes detected by gravitational wave detectors LIGO and Virgo, although both values are consistent with each other within the quoted error bars. The measured slope of the remnant mass function agrees with predictions of some population synthesis models of black hole formation.

研究の動機と目的

• 二重星系の進化に起因するバイアスを避けるために、重力レンズ効果を用いて、孤立した恒星残骸（中性子星およびブラックホール）の質量関数を測定すること。
• 従来の天体物理学的手法では孤立した高密度天体の質量を直接測定できないという制限を克服すること。
• 長時間スケールで低混合度の微小レンズ効果事象のサンプルを用いて、中性子星とブラックホールの間の「質量ギャップ」の存在を検証すること。
• OGLEとGaia EDR3の光度曲線と位置運動測定値を統合することで、レンズ質量の推定を改善すること。
• 測定誤差を考慮した場合、質量ギャップのような狭い特徴を検出できる能力（感度）を評価すること。

提案手法

• OGLE-III調査から得られた4360件の微小レンズ効果事象のうち、87件の長時間スケールで低混合度の事象を詳細な分析の対象として選別。
• レンズ質量の推定に、微小レンズ式 $ M = \frac{t_{\rm E} \mu}{\kappa \pi_{\rm E}} $ を用い、$ \kappa = 8.144\,\mathrm{mas\,yr}^{-1} $ を用いる。$ t_{\rm E} $、$ \pi_{\rm E} $、$ \mu $ に依存する。
• Gaia EDR3およびOGLEデータからの位置運動 $ \mu $ を用いてレンズ質量を制約し、最も確からしい $ \mu $ 分布を想定するための銀河系モデルを導入。
• 階層ベイズモデリングを用いて、35件の高信頼度の暗黒レンズのサンプルから質量関数を推定。
• 1–2 M⊙および6–30 M⊙の範囲で対数一様な質量関数を仮定したシミュレーションを実施し、測定誤差が増加する条件下での質量ギャップ検出感度をテスト。
• 二重レンズや高運動速度の残骸による汚染リスクを評価し、レンズ質量の確率的推定値をそれに応じて補正。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–100 M⊙の範囲における孤立した恒星残骸の質量関数の形状は、微小レンズ効果によってどのように制約されるか？
• RQ2 中性子星とブラックホールの間の「質量ギャップ」は、残骸質量関数において証拠があるか？
• RQ3 測定誤差が、残骸質量関数における狭い特徴（例：質量ギャップ）の検出能力にどのように影響するか？
• RQ4 ネイタルキックや二重レンズ効果は、レンズ天体の推定質量および距離にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 現実的な観測誤差を想定した場合、階層ベイズ法が真の質量関数をどの程度正確に回復できるか？

主な発見

• 1–100 M⊙の範囲における孤立した恒星残骸の質量関数は、勾配が $ 0.83^{+0.16}_{-0.18} $ の連続的なべき乗則分布と整合的である。
• 中性子星とブラックホールの間の広いギャップが否定される可能性のある初期的証拠が得られ、残骸質量の間にはより連続的な移行が存在する可能性が示唆された。
• 測定された勾配は、LIGO–Virgoの重力波検出から推定された値よりもわずかに平坦であるが、誤差範囲内で整合的である。
• シミュレーションにより、質量ギャップが存在する場合でも、本手法がそれを回復可能であることが確認されたが、測定誤差が増加するにつれて信頼区間が広がることが分かった。
• 35件の高信頼度の暗黒レンズのサンプルにより、微小レンズ効果を用いた孤立残骸の質量関数に対する初めての直接的制約が得られた。
• OGLE-IVデータの今後の分析では、4倍の事象数が得られることを想定し、特に質量ギャップ領域における質量関数の制約が向上すると予想される。